Wzorcowanie termometrów i termopar

Transkrypt

1 Katedra Silników Spalinowych i Pojazdów ATH ZAKŁAD TERMODYNAMIKI Wzorcowanie termometrów i termopar - 1 -

2 Wstęp teoretyczny Temperatura jest jednym z parametrów określających stan termodynamiczny ciała i charakteryzuje jego stopień nagrzania. Pomiar temperatury odbywa się zwykle przez pomiar wielkości fizycznych ciała, które dają się łatwo zmierzyć i zależą od temperatury. W celu liczbowego określenia wielkości temperatury ustalono skalę temperatur zakładając, że temperatura topniejącego lodu wynosi 0 o a wrzącej wody pod ciśnieniem 760 Tr 100 o C. Jest to tak zwana skala Celsjusza. Temperatura mierzona od zera absolutnego nosi nazwę absolutnej (bezwzględnej) i jest nazywana skalą Kelvina, oznaczamy ją literą T. Ze skalą Celsjusza jest ona związana zależnością T = t + 273,15 Przyrządy służące do pomiaru temperatury noszą nazwę termometrów. Ich odmiany służące do pomiaru wysokich temperatur pirometrów. Zależnie od tego, jakie własności fizyczne ciał wykorzystano do budowy termometrów, można rozróżnić następujące ich rodzaje: Termometry rozszerzalnościowe, ciśnieniowe, elektryczne, optyczne i specjalne, wykorzystujące różne zjawiska fizyczne do pomiaru temperatury w specjalnych przypadkach. Termometry rozszerzalnościowe oparte na wykorzystaniu zmian objętości gazów, cieczy i zmian wymiarów liniowych ciał stałych z temperaturą. Do tej grupy termometrów należą termometry cieczowe. Przy ich budowie wykorzystano zmienność objętości cieczy z temperaturą. Najczęściej stosowaną cieczą termometryczną jest rtęć. Dokładne termometry laboratoryjne muszą być wzorcowane, tj. sprawdzane i porównywane z termometrem wzorcowym. Termometry elektryczne dzielimy na termometry oporowe oraz termoelementy. Opór elektryczny czystych metali rośnie ze wzrostem temperatury, zaś półprzewodników maleje (może również wzrastać). Własność tę wykorzystano przy budowie termometrów oporowych. Z czystych metali najczęściej stosowana jest platyna. Zmienność oporu platyny i niklu ilustruje rys

3 Rys.1. Zmienność oporu platyny i niklu z temperaturą. Platyna spełnia najdokładniej wszystkie warunki stawiane materiałom do budowy czujników termometrów oporowych. Termometry oporowe platynowe w obszarze 190 o C do +630 O C są najdokładniejszymi termometrami. Pomiar temperatury sprowadza się do pomiaru oporu. Zmienność oporu półprzewodników z temperaturą jest bardzo dużą, dochodzi do 60% na 1K. Tak duża zmienność oporu z temperaturą pozwala na wykonanie czujników (tzw. czujników termistorowych) o kilkakrotnie większej czułości pomiaru od termometrów oporowych metalowych. Jeśli końce dwóch drutów wykonanych z różnych metali, połączonych przez spawanie lub lutowanie, umieścimy w ośrodkach o różnej temperaturze, to w obwodzie popłynie prąd w wyniku powstania siły elektromotorycznej zwanej termoelektryczną (STE) (rys. 2.) Rys.2. Termoelement. Wielkości STE dla danego zestawu drutów, zależą tylko od różnicy temperatur miejsc zlutowanych, tj. e = f (t - t o ) Ustalając t o = const otrzyma się zależność - 3 -

4 e = f ( t ) Zjawisko to można więc wykorzystać do budowy termometrów. Zestaw dwóch drutów połączonych w wymieniony sposób określa się mianem termoelementu lub termopary. Spojone końce tkwiące w ciele, którego temperaturę mierzymy, nazywa się gorącymi, pozostała spoina o stałej temperaturze t o = const nosi nazwę zimnej. Wielkość STE odpowiadająca danej różnicy temperatur obu spoin zależy tylko od rodzaju materiałów użytych do wykonania termoelementu. Zakres zastosowania bardziej rozpowszechnionych termoelementów i niektóre ich własności zestawiono w tab.1 Rodzaj termopary Miedź-Konstantan (60% Cu + 40% Ni) [Cu-Konst.] Chromel-Kopel (89% Ni + 10% Cr; 54% Ni + 46% Cu) [---] Żelazo-Konstantan [Fe-Konst.] Chromonikiel-Konstantan [---] granica dolna C Zakres zastosowania granica Granica Górna górna przy przy krótkotrwałej ciągłej pracy pracy C C SE 1) w mv przy dt = Chromeł-Nikiel Chromel-Alumel (temp. Hoskinsa alumel: 94,5% Ni + 2% A1 + 2,5% Mn + 1% Si) [---] Płatyna-Platynorod (90% Pt + 10% Rh) [PtRh - Pt] , Iryd-Irydorod (40% Ir + 60% Rh) ,5 Wolfram-Wolfromomolibden (74% W + 25 % Mo) [---l 1) Wielkości przybliżone Tab.1. Zestawienie popularnych termoelementów. U w a g i Należy chronić od działania gazów utleniających Należy chronić od działania gazów utleniających. Odporna na atmosferę redukującą Chronić od działania gazów redukujących (spaliny) i zawierających związki siarki Chronić od atmosfery redukującej; od działania związków siarki, węgla, fosforu : par metali. 0,3 W technice nie ma zastosowania Wzorcowaniem nazywa się czynność wyznaczania zależności między podziałką przyrządu wskazującego a wielkością temperatury. Sprawdzanie jest to czynność ustalenia, czy w sprawdzanym termometrze skala jest zgodna z rzeczywistością, tj. czy temperatura wskazywana przez termometr jest temperaturą czujnika. Przy wzorcowaniu termometrów opieramy się na stałych punktach termodynamicznych (temperatura topniejącego lodu 0 o C oraz wrzenia wody pod ciśnieniem 760Tr 100 o C) i punktów stałych pomocniczych (temperatura krzepnięcia, topnienia, wrzenia czy też sublimacji ciał łatwych do otrzymania w stanie czystym). Przy sprawdzaniu najczęściej porównujemy wskazania termometru badanego ze wskazaniem termometru wzorcowego

5 Metoda pomiaru Do sprawdzenia termometru rtęciowego oraz termopary Żelazo-Konstantant Fe-Ko użyto suszarki (rys.3), w której umieszczono blok grafitowy. W bloku tym wykonane są otwory o średnicy zbliżonej do średnicy termometrów oraz otwory, w których umieszczona jest gorąca spoina wzorcowanej termopary oraz wzorcowego termometru oporowego platynowego. Temperaturę spoiny odniesienia ustala się w termosie z topniejącym lodem. Po włączeniu suszarki ustawiamy zakres zmieniającej się w niej temperatury. Blok grafitowy ogrzewa się. Dokonujemy odczytu w równych odstępach czasu wskazań obu termometrów rtęciowych oraz termometrów elektrycznych (ten odczyt jest automatycznie drukowany przez podłączony do układu rejestrator). Termometr badany Termometr wzorcowy Blok grafitowy Omomierz Miliwoltomierz Ω mv Rejestrator Termometr oporowy Pt Suszarka Termopara Fe-Ko Rys.3. Schemat stanowiska pomiarowego. Metoda obliczeń Dla termometrów rtęciowych, poza tabelką, w której obok wskazań termometru wzorcowego wpisujemy odczyty z termometru badanego, sporządzamy wykres odchyłek wskazań termometru badanego względem wzorcowego. Przy pomocy charakterystyki termometru oporowego przeliczamy wskazania tego termometru z [Ω] na [ o C]. Następnie przyporządkowujemy te wartości temperatury, odczytanym napięciom na badanej termoparze. Wyznaczamy zależność - 5 -

6 t = f(e) = a + b e metodą najmniejszych kwadratów, bądź wykorzystując funkcję regresji liniowej w arkuszu kalkulacyjnym. Ponieważ spoina odniesienia termopary jest umieszczona w termosie z topniejącym lodem, dla temperatury gorącej spoiny równej 0 o C, nie występuje siła elektromotoryczna, zatem nasza funkcja ma postać t = C e gdzie C, jest to tzw. stała termopary. Jej wartość zależy od rodzaju termopary. Dla badanej termopary Fe-Ko wynosi ona C=18,5[K/mV]. Porównać wynik obliczeń z wartością dokładną